PEM燃料电池热质传递与流体力学特性数值研究

摘要

质子交换膜燃料电池以其工作温度低、启动迅速、高功率密度、无污染物排放，正逐渐成为汽车动力的最有竞争力的动力源之一，而在PEM燃料电池堆的成本中占据相当．大比例的双极板的研究更是成为了近年的研究热点。本文在国内外学者的研究基础上，以燃料电池的流场板为研究对象，通过建立特定结构的单体模型进行计算流体力学(CFD)分析，对其结构参数进行优化，达到提高燃料电池的工作性能的目的。限于实验条件水平，本文采取计算机模拟仿真与著作论文的实验数据相结合的方法进行研究。 燃料电池气体分配箱是连接气源与燃料电池组的中间装置，对气源起着分配作用。气体分配箱的合理设计是保证各单电池正常工作，提高电池堆整体性能的关键。本文对现有的五种气体分配箱进行了结构分析，利用FLUENT软件对它们的内部流场进行了数值模拟。分析了气体分配箱的进气筒截面形状(圆柱型、圆台型、扩压型)、尺寸大小，进气口数目(单进口、双进口)以及进气速度对气体均匀化效果的影响，得出扩压型双进口对均匀化最有利的结论，此外，适当增加进气速度也有利于气体流场的均匀化。 质子交换膜燃料电池运行过程中，燃料的利用率很大程度上取决于电池的流场结构，本文利用Fluent仿真软件，建立PEM燃料电池的半体模型，通过改变渐变蛇形流道的几何结构，分析燃料电池内部的流场与传质情况，并将结果与单通道蛇形流道、多通道蛇形流道进行比较。结果表明，渐变蛇形流道的流场板具有良好的气体分布与传质特点，有利于电流密度的均匀产生，较难发生浓差极化。与单通道流道相比，具有更高的氢气消耗率与更低的压降；与多通道蛇形流道相比，具有更高的氢气消耗率和接近的压降。此外，从气体分布均匀性的角度考虑，增大孔隙率，提高燃料背压，升高燃料气体的温度，均能提高气体分布的均匀性。

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第一章绪论

1.1燃料电池

1.2 PEMFC的电化学原理

1.3 PEMFC的特点

1.4膜电极的组成

1.5 PEMFC的传热传质数学模型概述

1.5.1一维模型

1.5.2二维模型

1.5.3三维模型

1.6多孔介质模型

1.6.1多孔介质中的单相流动

1.6.2多孔介质中的扩散

1.7课题任务

1.8本章小结

第二章PEMFC的电极化过程

2.1可逆电位

2.2燃料电池的效率和效率极限

2.3能斯特电压

2.4燃料电池动力学

2.4.1开路电压

2.4.2活化过电位

2.4.3欧姆过电位

2.4.4浓差过电位

2.5相关反应气体用量的计算

2.5.1氧气和空气的用量

2.5.2氢气的流量

2.5.3水的生成速率

2.5.4生成的热能

2.6本章小结

第三章PEMFC电堆双极板的流场分析研究

3.1双极板的功能

3.2双极板的材料及加工

3.3流场结构

3.3.1常见流场结构

3.3.2新型流场结构

3.4双极板的设计

3.5本章小结

第四章PEMFC电堆阴极气体分配箱的优化分析

4.1气体分配管道的分类

4.1.1外置型气体分配管道

4.1.2内置型气体分配管道

4.1.3气体分配管道的连接方式与气体流动方式

4.2 FLUENT软件包功能特点

4.2.1 GAMBIT前处理软件

4.2.2 FLUENT软件

4.3计算模型

4.3.1几何模型

4.3.2计算域及网格划分

4.3.3数学模型

4.4结果分析

4.4.1单圆柱进口时分配箱内流场与压力分布

4.4.2双圆柱进口分配箱内流场与压力分布

4.4.3双圆台进口分配箱内流场与压力分布

4.4.4双扩压型进口分配箱内流场与压力分布

4.5本章小结

第五章渐变蛇形流道的CFD仿真分析

5.1模型简化

5.2模型假设

5.3控制方程

5.3.1连续性方程

5.3.2动量方程

5.3.3能量守恒方程

5.4参数设置

5.5模拟结果及分析

5.5.1密度分布

5.5.2压力分布

5.5.3速度分布

5.6本章小结

第六章不同结构参数的流场及操作条件对气场分布的影响

6.1几何模型

6.2消耗率及压降的比较

6.3流场板沟槽宽度、深度以及脊部宽度尺寸的影响

6.4孔隙率的影响

6.5操作压力的影响

6.6工作温度的影响

6.7本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢

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